Nature Commun | 北京大学陈雪梅课题组揭示细胞质mRNA翻译起始调控叶绿体发育和光合作用的分子机制

责编 | 王一

光合作用是地球上最重要的生化反应，发生在叶绿体中。作为半自主细胞器，叶绿体超过 90% 的蛋白是由细胞核基因编码，在细胞质完成翻译，最后转运至叶绿体加工成熟并发挥功能。但细胞质 mRNA 翻译调控叶绿体发生和光合作用的精细分子机制并不清楚。mRNA翻译过程包括起始、延伸、终止和核糖体回收等步骤，其中翻译起始往往作为限速步骤，被顺式元件和反式因子共同调控。Kozak 基序是真核生物翻译起始位点（Translation Initiation Site，TIS）所处的序列环境，以顺式调控元件的方式影响翻译活性。尽管不同物种的Kozak保守基序并不完全一致，但是其-3位的嘌呤 (A或者G) 和+4位的G（AUG翻译起始位点中的A被标记为+1）往往是动植物共同的特征。更强的Kozak基序被认为能赋予mRNA更高的翻译效率，然而其背后的分子机制未知。此外，真核生物中对内源不同Kozak基序介导翻译起始效率的系统评估仍然缺乏，限制了我们对顺式翻译调控元件进化规律的理解及其潜在转化应用。

不同于大多数其他的真核翻译起始因子（eukaryotic initiation factors, eIFs），IF2/eIF5B是细菌、古菌和真核生物普遍存在且高度保守的翻译起始因子，特异地在TIS处发挥作用。eIF5B一方面通过稳定80S起始核糖体以维持TIS读码框的准确性【1】，另一方面促进 mRNA翻译在TIS从翻译起始（Initiation, I）向翻译延伸（Elongation, E）转变【2，3】。拟南芥HOT3/eIF5B1（AT1G76810）是eIF5B家族的重要成员，其功能缺失突变体hot3-2表现多效的生长发育缺陷和热胁迫敏感表型【4】。最近的研究报道了HOT3/eIF5B1在促进18S rRNA 3’末端加工成熟和抑制rRNA衍生的siRNA积累的新功能，但是该功能独立于HOT3/eIF5B1在翻译起始中的作用【5】。HOT3/eIF5B1的缺失会产生淡绿色叶片和显著下调的光合色素水平【6】，暗示细胞质翻译起始可能以某种方式调控了叶绿体发育与功能，然后其调控机制未知。

近日，北京大学生命科学学院陈雪梅院士课题组在Nature Communications期刊发表题为HOT3/eIF5B1 confers Kozak motif-dependent translational control of photosynthesis-associated nuclear genes for chloroplast biogenesis的研究论文。该工作将Kozak基序与eIF5B介导的从翻译起始（I）到翻译延伸（E）的转变（I-to-E）关联起来，揭示了HOT3/eIF5B1参与叶绿体发育和光合作用的细胞质翻译起始调控机制【6】。

在该研究中，作者利用核糖体印记技术（Ribosome profiling）系统分析和比较了野生型和hot3-2突变体植物在营养生长期幼苗建立和生殖生长期花序发育这两个涉及叶绿体活跃发育阶段的核糖体占据情况，揭示了HOT3/eIF5B1促进全基因组范围翻译起始I-to-E转换中的功能：

1.HOT3/eIF5B1功能缺失导致80S核糖体在TIS停滞显著增强，表明I-to-E的转换存在缺陷。通过比较TIS与CDS（Coding sequence）内标准化之后的80S核糖体信号的比值，作者创建了rPS（relative Pausing at the Start codon）指数来定量评估不同转录本的I-to-E的转换效率。

图一. 核糖体印记分析揭示了hot3-2突变体在翻译起始向延伸转变中存在缺陷

2.基于rPS指数，作者发现TIS处I-to-E的转换效率在hot3-2突变体中下调二倍及以上的转录本表现明显的-3A, +4G和+5C的Kozak基序特征。通过提取-3/+4/+5核苷酸组合，作者对拟南芥野生型中64种简化版Kozak基序的I-to-E转换效率进行了综合分析，发现1）不同的Kozak基序表现差异的I-to-E转换效率；2）最主流即对应转录本最多的Kozak基序往往表现较低的rPS指数中位数数值和高效的I-to-E转换效率，表明可能更多的基因偏好选择起始效率高的Kozak基序来促进自身mRNA的翻译起始活性；3）以上趋势在拟南芥（Arabidopsis thaliana）、水稻（Oryza sativa）和小麦（Triticum aestivum）中皆保守；4）-3A/+4G+5C类型是拟南芥的最佳Kozak基序，而-3G/+4G+5C是禾本科作物水稻和小麦的最佳Kozak基序，这种差异可能与水稻和小麦基因组DNA的高GC水平相关；5）三个物种的最佳Kozak基序对应的基因都富含在光合作用相关的细胞核编码基因（Photosynthesis-associated nuclear genes, PhANGs），特别是类囊体膜上光合系统蛋白质的编码基因。

图二. 最佳的Kozak基序表现更高的翻译起始效率且富集在光合系统编码基因

3.HOT3/eIF5B1的功能缺失导致大部分Kozak基序类型发生不同程度I-to-E转换效率的下调，以A/GC类型最为明显，并进一步降低了PhANGs编码产物的翻译效率。作者利用Dual-LUC双荧光素报告系统证明HOT3/eIF5B1通过依赖Kozak基序的方式促进类囊体膜上光合复合体蛋白的合成，进而参与叶绿体发育和光合作用。因此，HOT3/eIF5B1在植物中不仅仅是一个翻译起始因子，更在调控叶绿体发育和光合作用中发挥重要功能。通过促进翻译起始向翻译延伸的转换，HOT3/eIF5B1确保了光合作用相关基因的高效表达，这对于植物在自养条件下的生长和适应至关重要。

图三. HOT3/eIF5B1介导的细胞质翻译起始参与叶绿体发育和光合作用

综上所述，该工作揭示了细胞核基因通过细胞质翻译起始调控叶绿体发育和光合作用的新机制，为合成生物学和植物分子工厂在调控元件层面的理性设计提供了新思路，也为提高作物和饲草高光效提供了新的理论基础。未来通过优化翻译效率和增强光合作用能力，也许可以更好地应对气候变化和其他环境压力，从而提高作物产量和质量。

北京大学生命科学学院访问博士后杭润来博士为该论文的第一作者和共同通讯作者。北京大学生命科学学院陈雪梅教授和华南农业大学生命科学学院尤辰江教授为共同通讯作者。北京大学生命科学学院李浩、刘文静、王润语和胡昊博士，以及美国加州大学河滨分校植物系Meng Chen教授作为共同作者为本研究做出了重要贡献。该工作得到了中国科学院遗传与发育生物学研究所曹晓风研究员、北京大学生命科学学院焦雨铃教授和朱丹萌研究员的帮助，以及北京大学生命科学学院和中国科学院植物研究所科研平台的重要技术支持。该工作特别感谢北大-清华生命科学联合中心、蛋白质与植物基因研究国家重点实验室以及北京RNA生物学先进中心的支持，并且得到了美国国立卫生研究院、国家自然科学基金以及岭南现代农业科学与技术广东省实验室的资助。

参考文献：

1 Mao, Y., Jia, L., Dong, L., Shu, X. E. & Qian, S. B. Start codon-associated ribosomal frameshifting mediates nutrient stress adaptation. Nat Struct Mol Biol 30, 1816-1825, doi:10.1038/s41594-023-01119-z (2023).

2 Wang, J. et al. Structural basis for the transition from translation initiation to elongation by an 80S-eIF5B complex. Nat Commun 11, 5003, doi:10.1038/s41467-020-18829-3 (2020).

3 Wang, J. et al. eIF5B gates the transition from translation initiation to elongation. Nature 573, 605-608, doi:10.1038/s41586-019-1561-0 (2019).

4 Zhang, L. et al. Mutations in eIF5B Confer Thermosensitive and Pleiotropic Phenotypes via Translation Defects in Arabidopsis thaliana. Plant Cell 29, 1952-1969, doi:10.1105/tpc.16.00808 (2017).

5 Hang, R. et al. Arabidopsis HOT3/eIF5B1 constrains rRNA RNAi by facilitating 18S rRNA maturation. Proc Natl Acad Sci U S A 120, e2301081120, doi:10.1073/pnas.2301081120 (2023).

6 Hang, R. et al. HOT3/eIF5B1 confers Kozak motif-dependent translational control of photosynthesis-associated nuclear genes for chloroplast biogenesis. Nat Commun 15, 9878, doi:10.1038/s41467-024-54194-1 (2024).

https://www.nature.com/articles/s41467-024-54194-1